板式橡膠支座連續(xù)梁橋地震位移控制研究

板式橡膠支座連續(xù)梁橋地震位移控制研究

0板式橡膠合成梁體地震位移的方法板巖樁箱具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、安裝方便、成本低等特點，廣泛應(yīng)用于中國的中小型直徑橋。板式橡膠支座一般放置于墩臺頂墊石之上,梁體直接擱置在支座上,支座與墩臺、梁體間沒有連接措施,地震作用下,橡膠支座與墩頂及梁底接觸面之間可能會產(chǎn)生滑動。汶川地震后橋梁震害調(diào)查發(fā)現(xiàn):該類型橋梁的震害主要集中在支座滑動后引起的落梁、梁體移位、伸縮縫處相鄰間梁體碰撞等方面,而墩柱和基礎(chǔ)的損傷一般較輕。顯然,板式橡膠支座較柔的剪切剛度以及可能發(fā)生滑動效應(yīng)起到了一定隔震作用;但當(dāng)支座發(fā)生滑動后,整橋在順橋向由于缺乏足夠的恢復(fù)力,梁體近乎處于一種隨遇平衡狀態(tài),導(dǎo)致梁體地震位移較大,進(jìn)而引起相鄰梁體間碰撞、落梁等震害發(fā)生。因此,對板式橡膠支座橋梁采用合理有效的抗震措施進(jìn)行梁體地震位移控制具有十分重要的意義。文獻(xiàn)~中針對梁體地震位移同樣較大的減隔震設(shè)計橋梁,通過設(shè)置防落梁裝置及連梁裝置來控制梁體位移、減小相鄰梁體碰撞效應(yīng)、防止落梁震害發(fā)生,效果明顯。文獻(xiàn)中在分析幾種減隔震裝置減震、耗能機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出了板式橡膠支座與粘滯阻尼器組合使用的減震措施,能有效地控制梁體地震位移。上述方法雖能有效地控制梁體地震位移,但針對面大量廣的板式橡膠支座橋梁,若在所有橋聯(lián)中安裝防落梁裝置,勢必會帶來工程量和造價的增加。本文中結(jié)合汶川地震中板式橡膠支座橋梁的震害特點,以一典型連續(xù)梁橋為研究背景,利用SAP2000有限元程序建立橋梁空間計算模型,通過數(shù)值模擬,對板式橡膠支座橋梁抗震約束體系存在的問題做出評價,提出梁體地震位移控制方法,以期為板式橡膠支座橋梁防震和加固設(shè)計提供參考。1計算的基本條件1.1橋墩單元模型本文中選擇某大橋接線工程中的一聯(lián)連續(xù)梁橋為代表進(jìn)行相關(guān)研究。圖1所示的五跨連續(xù)梁橋,其上部結(jié)構(gòu)為跨度30m的連續(xù)箱梁,梁高1.8m,橋?qū)?6m;下部結(jié)構(gòu)均采用分離式三柱式橋墩,柱距5.0m,墩柱采用直徑1.3m圓形截面,墩高范圍為8.25~8.95m;每個橋墩蓋梁上均分別安置10個板式橡膠支座,連續(xù)墩采用普通板式橡膠支座GYZ400×77mm,過渡墩處采用四氟滑板式支座GYZF4300×77mm。采用SAP2000有限元程序建立多自由度動力分析模型。結(jié)合實際震害調(diào)查結(jié)果,假定橋墩處于彈性,故橋墩和主梁采用線性單元模擬;板式橡膠支座、鉛芯橡膠支座均采用非線性連接單元模擬;在樁基礎(chǔ)承臺底施加土彈簧模擬土的抗力作用。1.2初始剛度的計算板式橡膠支座一般由若干層薄鋼板和氯丁橡膠疊合組成,用以提供豎向支承和水平剪切剛度。本文中采用圖2所示的雙線性分析模型模擬板式橡膠支座的滑動性能,主要的力學(xué)參數(shù)包括初始剛度K1、屈服后剛度K2以及特征強(qiáng)度Fcr。初始剛度K1為支座未發(fā)生滑動時的剪切剛度,每個橋墩上支座的總水平剪切剛度為K1=nk,n為該墩設(shè)置的橡膠支座個數(shù),k為單個橡膠支座的剪切剛度。k可表示為式中:Gd,Ar,t分別為單個橡膠支座的動剪切模量、剪切面積和橡膠層的總厚度。屈服后剛度K2為支座滑動后的剪切剛度,由于板式橡膠支座滑動后無任何恢復(fù)力機(jī)制,計算中近似取為0;特征強(qiáng)度Fcr為支座發(fā)生滑動時的臨界力,其可表示為式中:μ為支座接觸面的動摩阻系數(shù);N為支座承受的豎向反力。文獻(xiàn)中對不同構(gòu)造的鉛芯橡膠支座進(jìn)行水平力學(xué)試驗,研究了支座力學(xué)性能與幾何構(gòu)造的關(guān)系,得到了兩者一系列的回歸關(guān)系式。參考其相關(guān)結(jié)論,本文中亦采用圖2所示的雙線性分析模型模擬鉛芯橡膠支座力學(xué)性能,初始剛度K1為鉛芯屈服前支座剪切剛度,其主要影響因素為鉛芯的橫截面面積和有效變形高度;屈服后剛度K2為鉛芯屈服后支座剪切剛度,其值大小主要與橡膠硬度、橡膠厚度及橡膠面積有關(guān);特征強(qiáng)度Fcr為鉛芯屈服強(qiáng)度,主要影響因素為鉛芯的橫截面面積。1.3加速度地震動在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)非線性時程地震反應(yīng)分析時,選用了6條實際地震加速度時程,其中5#地震動和6#地震動為近場脈沖型地震記錄,如表1所示。加速度地震動均取自于太平洋地震工程中心地震波數(shù)據(jù)庫。假定橋梁位于地震烈度9度區(qū),將各條時程曲線加速度峰值均調(diào)整為0.4g,g為重力加速度。圖3為6條實際地震動的加速度時程曲線,圖4為經(jīng)調(diào)幅后6條時程曲線對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜。2橡膠支架橋地震反應(yīng)分析2.1橋墩單墩受力地震反應(yīng)結(jié)果沿順橋向分別輸入表1所列舉的6條地震動,進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)非線性時程分析,計算時主要考慮的非線性因素為板式橡膠支座的滑動效應(yīng)。計算采用Rayleigh阻尼,阻尼比取為5%。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/TB02-01—2008),四氟滑板式橡膠支座動摩阻系數(shù)μ取0.02;圓板式橡膠支座動摩阻系數(shù)μ分別取0.10,0.15兩種計算工況。根據(jù)板式橡膠支座幾何尺寸,計算可得單個橋墩上支座總初始剛度K1為25.2MN·m-1。圖5為接觸面動摩阻系數(shù)μ分別為0.10,0.15兩種工況下各橋墩處板式橡膠支座的最大滑動位移和殘余位移,圖6為2種工況下各橋墩單墩地震彎矩與屈服彎矩的比較,圖5,6中地震反應(yīng)結(jié)果均為6條地震動的平均值。由圖6可以看出:板式橡膠支座較柔的剪切剛度以及產(chǎn)生的滑動效應(yīng)使得主梁慣性力難以傳遞至橋墩,因而所有橋墩均保持彈性工作狀態(tài);但同時卻以過大的地震位移為代價,如支座最大滑動位移達(dá)0.63m,殘余位移達(dá)0.35m。對比2種動摩阻系數(shù)工況計算結(jié)果可知,增大支座接觸面摩阻系數(shù)能減小支座最大滑動位移和殘余位移,但橋墩承受地震力有所增大。2.2地震特征對梁體地震位移的影響2.2.1計算結(jié)果比較表2為u=0.15工況下6條地震波輸入下梁體最大地震位移和殘余位移結(jié)果。圖7為u=0.15工況下2#和6#地震動輸入下梁體地震位移時程曲線。雖然6條地震動的峰值加速度均已調(diào)整為0.4g,但表2計算結(jié)果表明各條地震動輸入下梁體地震位移幅值各不相同:1#~3#地震動輸入下梁體與板式橡膠支座間未發(fā)生滑動,而4#~6#地震動輸入下均發(fā)生了滑動,因而4#~6#地震動輸入下的梁體最大位移遠(yuǎn)比1#~3#地震動輸入下的大。這很大程度上與輸入地震波的頻譜特性有關(guān),從圖4可知,在長周期范圍(1.5~4.0s)內(nèi)各地震動反應(yīng)譜值大小不同,4#~6#地震動的譜值明顯比1#~3#的大,而板式橡膠支座橋梁由于橡膠材料的柔韌性,其基本振動周期T=1.9s正好落在這個周期范圍內(nèi),因此造成梁體地震位移結(jié)果有所不同。2.2.2[2#地震動]2.2不同加速度脈沖流場從圖7可以看出:在6#地震動輸入下梁體先是往一個方向滑動,達(dá)到最大位移后未能回復(fù)到平衡位置,而在新的平衡位置往復(fù)振動,產(chǎn)生較大的殘余位移;在2#地震動輸入下梁體運動則沒有出現(xiàn)類似現(xiàn)象,因為板式橡膠支座發(fā)生滑動較小,梁體只在平衡位置往復(fù)運動。從圖3可以看出:與2#地震動相比,6#地震動明顯有一個正方向的加速度脈沖,使得地震時梁體一直朝一個方向滑移,由于板式橡膠支座滑動后整橋體系缺乏足夠的恢復(fù)力機(jī)制,后續(xù)的地震作用如沒有足夠的反方向加速度作用,梁體難以回到平衡位置,因此造成較大的梁體殘余位移。類似現(xiàn)象也出現(xiàn)在5#地震動輸入工況下,同樣該地震動系具有脈沖性質(zhì)的近斷層地震動。2.3板式橡膠合成橋梁結(jié)合第2.2節(jié)分析結(jié)果,對板式橡膠支座橋梁在順橋向地震作用下存在的問題進(jìn)行歸納。板式橡膠支座廣泛應(yīng)用于中國中小跨徑橋梁中,以橡膠的彈性壓縮來實現(xiàn)梁體的豎向轉(zhuǎn)動,以剪切變形來實現(xiàn)梁體的水平位移。絕大部分該類橋梁中橡膠支座與橋墩及梁體之間沒有連接裝置,在地震作用下,尤其是近場脈沖型地震,梁體與支座易產(chǎn)生滑動,而整橋梁體由于缺少恢復(fù)力幫助其回到平衡位置,處于一種隨遇平衡狀態(tài),造成梁體地震位移較大。而目前中國大部分板式橡膠支座橋梁在順橋向沒有防落梁裝置,過大的梁體位移進(jìn)而引起伸縮縫處相鄰聯(lián)梁體的碰撞、梁體移位甚至落梁。如汶川震區(qū)都汶高速公路跨越都江堰紫坪壩庫區(qū)的廟子坪大橋,其引橋采用板式橡膠支座,支座與墩梁間無連接,且在順橋向無任何防落梁措施,汶川地震中該橋第5跨梁體與支座頂面產(chǎn)生滑動,梁體地震位移超過支座墊石的搭接長度,從而引發(fā)落梁。3梁-體地震資料處理的建立3.1梁體地震位移隨時間的變化針對中國板式橡膠支座橋梁由于梁體與支座易發(fā)生滑動,整橋體系在支座滑動后缺乏恢復(fù)力機(jī)制使得梁體地震位移較大的現(xiàn)狀,探討了增加支座滑動后支承構(gòu)件的剪切剛度,引入恢復(fù)力機(jī)制對控制梁體地震位移的影響。在動摩阻系數(shù)為0.15工況基礎(chǔ)上,僅在3#墩支座引入恢復(fù)力機(jī)制,在板式橡膠支座滑動后增加其剪切剛度K2至2,4,6,8MN·m-1,其余參數(shù)不變,計算增加剪切剛度后對梁體地震位移的影響反應(yīng)。圖8為K2對梁體地震位移影響。由圖8可知:隨著K2的增加,梁體地震位移逐步得到有效控制,尤其是梁體殘余位移。以K2=4MN·m-1為例,由于恢復(fù)力機(jī)制的引入,梁體最大地震位移和梁體殘余位移分別減小了15%和85%。圖9為6#地震動輸入下引入恢復(fù)力機(jī)制前后梁體地震位移時程曲線對比。從圖9可以看出:隨著K2的增加,梁體最大地震位移和殘余位移逐漸減小。增加剪切剛度可為梁體提供足夠的恢復(fù)力,改變原體系隨遇平衡的狀態(tài),地震中梁體能回到平衡位置且多次往復(fù),有效地控制梁體地震位移,尤其是梁體殘余位移。3.2板式橡膠合成結(jié)構(gòu)滿足梁體與曲線變形的要求基于上述討論,對于板式橡膠支座橋梁,在支座滑動后如何增加支座剪切剛度、提供梁體足夠的恢復(fù)力成為控制該類型橋梁梁體地震位移的關(guān)鍵。鉛芯橡膠支座是在普通橡膠支座中部豎直灌入純度為99.9%以上的鉛芯制成,目前在橋梁隔震設(shè)計中應(yīng)用非常廣泛。鉛芯橡膠支座的動力試驗表明:鉛芯橡膠支座具有較好的滯回性能,鉛芯的存在增加了其初始剪切剛度,鉛芯屈服后剪切剛度接近于普通疊層橡膠支座?；阢U芯橡膠支座的特點,本文中提出在板式橡膠支座橋梁一聯(lián)中某中間橋墩設(shè)置鉛芯橡膠支座,其余各墩仍設(shè)置板式橡膠支座,其中鉛芯橡膠支座上、下鋼板分別與梁體、橋墩進(jìn)行連接以保證恢復(fù)力機(jī)制的引入。采用本文方法,首先工程量及造價的增加不多,設(shè)置鉛芯橡膠支座可提供制動力等所需的初始剛度,同時其余橋墩設(shè)置的板式橡膠支座能夠適應(yīng)正常使用(如溫度作用)所需的梁體變形要求;其次,當(dāng)橋梁遭遇強(qiáng)震作用使得鉛芯屈服,其余橋墩的板式橡膠支座發(fā)生滑動時,鉛芯橡膠支座能夠提供接近于普通疊層橡膠支座的剪切剛度,這種恢復(fù)力機(jī)制的引入改變了整橋系統(tǒng)隨遇平衡的狀態(tài),能有效地控制板式橡膠支座橋梁梁體地震位移,尤其是梁體殘余位移;此外,鉛芯橡膠支座在鉛芯滯回變形過程中的能量耗散能進(jìn)一步減小梁體地震位移。3.3鉛芯橡膠枝條參數(shù)對梁體地震位移的影響為了驗證本文中控制梁體位移方法的有效性,采用本文方法對連續(xù)梁橋算例進(jìn)行非線性時程反應(yīng)分析,僅在3#墩改設(shè)鉛芯橡膠支座,其余橋墩仍采用板式橡膠支座,并進(jìn)行鉛芯橡膠支座不同參數(shù)工況(表3)的計算分析,研究了鉛芯橡膠支座不同參數(shù)對梁體位移的影響。表3中所有支座參數(shù)值均為單墩上所有單只支座屬性的并聯(lián)總和,3#墩上鉛芯橡膠支座的總初始剛度參照文獻(xiàn)取為100MN·m-1,其余橋墩的板式橡膠支座力學(xué)參數(shù)與前述計算工況相同。圖10~12分別為鉛芯橡膠支座不同參數(shù)對梁體最大位移、梁體殘余位移、3#墩墩底彎矩的影響。由圖10~12可以看出:(1)采用本文方法能夠有效地減小梁體地震位移,以鉛芯橡膠支座參數(shù)FcrN-1=0.10,K2/K1=0.04為例,與所有橋墩均設(shè)置板式橡膠支座的工況相比,采用本文方法梁體最大地震位移和殘余位移的減幅分別為17%和87%。(2)相同鉛芯屈服力條件下,鉛芯橡膠支座屈服后剛度越大,梁體地震位移減小幅度越大;相同鉛芯橡膠支座屈服后剛度條件下,增大鉛芯屈服力能減小梁體地震位移。(3)鉛芯屈服力能減小梁體殘余位移,但影響不甚明顯;增加鉛芯橡膠支座屈服后剛度,引入恢復(fù)力機(jī)制是控制梁體殘余位移的關(guān)鍵,恢復(fù)力的引入使得原體系隨遇平衡狀態(tài)得以改觀,地震中梁體能多次往復(fù)平衡位置,梁體殘余位移大為減少。(4)設(shè)置鉛芯橡膠支座的橋墩地震反應(yīng)隨支座鉛芯屈服力、屈服后剛度的增大而增大。采用本文方法后,地震中設(shè)置鉛芯橡膠支座的橋墩可能會發(fā)生一定損傷,但考慮到延性設(shè)計作為一種最常用的抗震設(shè)計策略,只要保證橋墩合理的延性構(gòu)造設(shè)計,與可能的落梁震害相比,橋墩發(fā)生可修復(fù)損傷是可接受的。4橡膠合成克氏原螯蝦邊界層,利用恢復(fù)力機(jī)制控制梁體殘余位移(1)板式橡膠支座橋梁梁體地震位移受地震動特性影響明顯。低頻頻率成分豐富,具有脈沖性質(zhì)的近斷層地面運動將引起梁體與支座間的嚴(yán)重滑動,造成較大的梁體地震位移,應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計人員的重視。(2)支座發(fā)生滑動后,梁體由于缺少恢復(fù)力機(jī)制,整橋近乎處于一種隨遇平衡狀態(tài),梁體殘余位移較大。在橡膠支座發(fā)生滑動后增加支承構(gòu)件的剪切剛